5. cinética microbiana
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Cinética microbiana(Bioreacciones)
Introducción
Fermentación microbiana
• El caso más simple:
A C + R
Donde:
A: substrato (alimento necesario)C: microorganismo (m.o.)
R: producto (material de desecho)
C
Ejemplos de fermentaciones microbianas
• Fabricación de vino:
Uvas, cereales más
frutas, papas, etc. m.o.
• Tratamiento de agua de desecho
Material de más
desecho orgánico m.o.
+ alcoholm .o.
+ productos de descomposición
m.o.
Envenenamiento por producto
Sin envenenamiento por producto
Aplicaciones:
INTERES EJEMPLO
Descomposición de ATratamiento de aguas de desecho
Producción de células CCrecimiento de proteína celular para alimento
Material de desecho RProducción de penicilina y otros antibióticos
Fermentación con ambiente constante
ln ( Cc/Cco)
tTiempo lag
CA
Fermentación con ambiente constante
kobs = k CA
CA + CM
Máxima velocidad de crecimiento
CM
k / 2
CA
k
Fermentación con ambiente constante
• La velocidad de crecimiento de las células, después del tiempo lag, está dada por la ecuación de Monod
rC = kCACC
CA + CM
Bioreactor de lote
CC
tiempo
lag
Crecimiento exponencial
Estacionaria
muerte
Fase lag
• Cuando las células se introducen en un nuevo ambiente, se observa un tiempo de readaptación, ya que las células deben primero elaborar los productos químicos necesarios para crecer y reproducirse
• Cualquier cambio en el ambiente, resulta en un periodo de inducción a medida que las células se ajustan
Forma usual de la curva lag
Tiempolag
Edad de las célulasintroducidas en el medio fresco
Otra forma de la curva lag
Tiempolag
Edad de las célulasintroducidas en el medio fresco
Fases de crecimiento y estacionaria• Las células crecen exponencialmente en un
ambiente uniforme• En un sistema de lote, el medio cambia, por
lo que la velocidad de crecimiento también cambia
• La caida en el crecimiento celular se debe tanto a el agotamiento del alimento la acumulación de materiales tóxicos
para la célula
Substrato que limita
ln ( Cc/Cco)
t
CAo
Producto de la reacción que limita
ln ( Cc/Cco)
t
CAo
Máximo crecimiento celular en función de la concentración inicial de substrato
CAo
CC,max.
Productos tóxicos limitantes
Substrat
o lim
itante
Bioreactor de flujo mezclado
CAo
CCo = 0
CRo = 0
CA
Cc
CR
•Ambiente uniforme
•Células no necesitan adaptación
•Velocidad de multiplicación de las células constante
Ecuación de Monod:
rC = kCACC
CA + CM
Expresiones cinéticas
• La velocidad de multiplicación de las células depende en general de:
La disponibilidad de alimentoLa producción de desechos que
interfieren con la multiplicación celular
Disponibilidad de alimentos
• En forma análoga a la cinética enzimática, para el caso de microorganismos:
A + Cinactiva Cfértil
Cfértil 2Cfértil + R
Cc,total = Cc,fértil + Cc,inactiva
Disponibilidad de alimentos
• A alta CA
rR = kCC
• A baja CA
rR = kCCCA / CM
• A cualquier CA (Ecuación de Monod)
rR = kCCCA
CA + CM
Efecto de desechos dañinos
• A medida que se produce el desecho R, interfiere con la multiplicación celular
• La constante de velocidad de Monod, kobs disminuye con CR.
kobs = k 1 – CR
CR*
n
Efecto de desechos dañinos
0 CR*CR
kobs
k
n = 2
n = 1/2
n = 1
Expresión cinética general
• Expresión de Monod más simple considerando ambos factores:
-rA = rR = rC = kobs CCCA
CA + CM
Donde:
kobs = k 1 – CR
CR*
n